四管組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與有限元分析

蔡 欽

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

四管組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與有限元分析

蔡 欽

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海 200092）

針對(duì)某四管組合柱鋼管塔，提出了一種新的變坡節(jié)點(diǎn)形式。利用有限元軟件ANSYS，對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模及有限元分析。研究在設(shè)計(jì)荷載和極限荷載作用下變坡節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)、塑性發(fā)展規(guī)律、節(jié)點(diǎn)破壞模式及極限承載力情況，以期準(zhǔn)確把握該類組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為，為工程設(shè)計(jì)和后續(xù)的研究工作提供相關(guān)的比較數(shù)據(jù)。研究表明，變坡節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下處于彈性狀態(tài)，其最終破壞模式是下主管管壁的壓曲破壞。通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn)，大板上側(cè)和下側(cè)肋板受力不均勻，與主管直接搭接的肋板受力較大。只要設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理，這種新型變坡節(jié)點(diǎn)形式是安全可靠的。

鋼管塔；四管組合柱；變坡節(jié)點(diǎn)；有限元分析；承載力

相對(duì)于角鋼塔而言，輸電鋼管塔因其剛度大、重量小等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。在快速發(fā)展過(guò)程中，鋼管塔設(shè)計(jì)也遇到了一些問(wèn)題。由于輸送電壓以及相關(guān)規(guī)定的限制，某大跨越輸電塔的高度達(dá)到了455 m，輸電塔承擔(dān)的塔身荷載、線條荷載以及風(fēng)荷載非常大。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的單鋼管輸電塔設(shè)計(jì)方案，塔腿主材必須使用超大直徑的鋼管。這對(duì)目前的施工技術(shù)條件而言是難以解決的問(wèn)題。

相對(duì)于單管鋼管塔，多管組合柱鋼管塔的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。作為輸電塔設(shè)計(jì)中的重要組成部分，多管組合柱鋼管塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是變坡節(jié)點(diǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)的單管鋼管塔，變坡節(jié)點(diǎn)處的桿件較少，構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力明確。但對(duì)于多管組合柱鋼管塔，其變坡節(jié)點(diǎn)通常是從多管組合柱向單管柱過(guò)渡，有多根桿件相連，且上下主管軸線不共線，受力特點(diǎn)和構(gòu)造均十分復(fù)雜。因此，需要對(duì)多管組合柱鋼管塔的變坡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的研究。

對(duì)于單管鋼管塔，變坡節(jié)點(diǎn)通常有主管對(duì)接焊式、主管板連接式、主管法蘭螺栓連接及焊接空心球節(jié)點(diǎn)等4種處理方案［3］，各桿件的軸線交點(diǎn)通常都是上下主管的交點(diǎn)。但對(duì)于多管鋼管塔而言，上述4種處理方案只有2種可行，分別是主管板連接式和焊接空心球節(jié)點(diǎn)。如果采用空心球節(jié)點(diǎn)，空心球的直徑將會(huì)很大。目前對(duì)于大直徑空心球的研究很少，對(duì)其受力性能了解不多，且加工難度較大［4］。主管板連接式變坡節(jié)點(diǎn)，是通過(guò)一塊鋼板將上下主管焊接連接，在鋼管與鋼板連接處布置加勁肋，防止鋼板和鋼管發(fā)生局部屈曲。顯然主管板連接式是較理想的處理方案。

本文將以某四管組合柱鋼管塔為例，提出一種新的變坡節(jié)點(diǎn)形式。將對(duì)這種新的節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行有限元分析，研究該節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載和極限荷載作用下的應(yīng)力分布、破壞及發(fā)展模式，并分析下主管間距對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 分析模型描述

某四管組合柱鋼管塔高455 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速為40 m/s，主材鋼管材料為Q420，輔助材鋼管材料為Q345。上部主管規(guī)格為1 726 mm×38 mm，下部主管規(guī)格為965 mm×24 mm，下主管中心間距1 600 mm。塔頭單線圖如圖1所示，下主材截面如圖2所示，變坡處橫隔截面圖如圖3所示。

圖1 塔頭圖

圖2 組合柱截面圖

圖3 橫隔截面圖

該塔塔身變坡段上下主材內(nèi)力均由45°大風(fēng)控制，通過(guò)整塔分析得到各桿件在控制工況下的內(nèi)力作為設(shè)計(jì)荷載，并進(jìn)行簡(jiǎn)化，見(jiàn)表1。

表1 各桿件設(shè)計(jì)荷載

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

借鑒單管鋼管塔的變坡節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，上下主管通過(guò)一塊方形鋼板連接起來(lái)，在鋼板上下設(shè)置加勁肋。支管通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與上主管連接，各橫隔管通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與相應(yīng)的下主管連接。節(jié)點(diǎn)平面圖如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)平面示意圖

大板上下的加勁肋是節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，其主要作用是防止大板屈曲破壞。肋板應(yīng)均勻布置，以保證大板受力均勻。本例中，大板上側(cè)肋板沿上主管周圍均勻布置8塊肋板，具體布置見(jiàn)圖5；大板下側(cè)肋板沿各下主管周圍布置8塊肋板，具體布置見(jiàn)圖6。

圖5 大板上側(cè)肋板布置圖

圖6 大板下側(cè)肋板布置圖

3 節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算

3.1 變坡處主管局部屈曲驗(yàn)算

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.4.5條規(guī)定了鋼管受壓構(gòu)件的徑厚比限值［5］。本例中鋼管徑厚比限值為

式中：fy為材料的屈服強(qiáng)度。

上主管徑厚比為45，下主管徑厚比為40，均小于徑厚比限值，滿足要求。

3.2 主管與大板焊縫驗(yàn)算

本例中，上主管的壁厚為38 mm，如果采用角焊縫，會(huì)造成焊腳尺寸過(guò)大。焊縫收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，熱影響區(qū)擴(kuò)大易產(chǎn)生脆裂。推薦采用對(duì)接焊連接上主管和大板，采用一級(jí)對(duì)接焊縫保證變坡節(jié)點(diǎn)的安全。

焊縫的極限承載力可近似取為：

本例中焊縫的極限承載力為54 603 kN，大于最大壓力49 800 kN，滿足要求。

4 節(jié)點(diǎn)有限元分析

4.1 有限元模型

本文采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行精細(xì)建模，采用shell181單元，該殼單元可以支持線性分析、材料塑性、應(yīng)力剛化、大應(yīng)變和大變形分析，適合分析薄板、中厚板殼結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)［6］。材料本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性，主材屈服強(qiáng)度取420 MPa，輔助材屈服強(qiáng)度取345 MPa。彈性模量為2.06×105MPa，泊松比υ＝0.3，采用Von Mises屈服準(zhǔn)則及雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。

由于四管組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)非常復(fù)雜，有限元建模時(shí)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化橫隔管的插板連接；建模時(shí)忽略焊縫。有限元模型見(jiàn)圖7。

圖7 數(shù)值分析節(jié)點(diǎn)模型

4.2 有限元分析

a.上主管

通過(guò)有限元分析，上主管內(nèi)側(cè)應(yīng)力遠(yuǎn)大于外側(cè)應(yīng)力，上主管內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖發(fā)展情況如圖8所示。圖8列出了上主管在設(shè)計(jì)荷載、1.2倍設(shè)計(jì)荷載和1.4倍設(shè)計(jì)荷載下的等效應(yīng)力云圖。在設(shè)計(jì)荷載下，上主管應(yīng)力發(fā)展水平較低，應(yīng)力低于 380 MPa；在1.2倍設(shè)計(jì)荷載下，上主管應(yīng)力進(jìn)一步發(fā)展；在1.4倍設(shè)計(jì)荷載下，上主管內(nèi)側(cè)環(huán)板下方進(jìn)入屈服狀態(tài)。圖8還表明環(huán)板對(duì)上主管局部區(qū)域的加強(qiáng)作用非常明顯。

圖8 上主管等效應(yīng)力云圖

b. 下主管

通過(guò)有限元分析，下主管內(nèi)側(cè)的應(yīng)力遠(yuǎn)大于外側(cè)的應(yīng)力水平，下主管內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖發(fā)展情況如圖9所示。圖9列出了下主管在設(shè)計(jì)荷載、1.2倍設(shè)計(jì)荷載和1.4倍設(shè)計(jì)荷載下的等效應(yīng)力云圖。在設(shè)計(jì)荷載下，下主管處于彈性狀態(tài)；在1.2倍設(shè)計(jì)荷載下，4號(hào)下主管開始進(jìn)入屈服狀態(tài)；在1.4倍設(shè)計(jì)荷載下，4根下主管下側(cè)區(qū)域均進(jìn)入屈服狀態(tài)。有限元分析表明：在軸向荷載作用下，4號(hào)下主管應(yīng)力發(fā)展最快，其次是1號(hào)和3號(hào)下主管，2號(hào)下主管應(yīng)力發(fā)展最慢；下主管下側(cè)區(qū)域應(yīng)力較大，上側(cè)應(yīng)力較小，節(jié)點(diǎn)承載力由下主管控制。

圖9 下主管等效應(yīng)力云圖

c.大板

大板作為連接上下主管的重要構(gòu)件，直接決定了節(jié)點(diǎn)的安全可靠性能。通過(guò)有限元分析，得到了大板的等效應(yīng)力云圖如圖10所示。有限元分析表明，在1.4倍設(shè)計(jì)荷載下，大板一直處于彈性狀態(tài)，大板是安全的。

圖10 大板等效應(yīng)力云圖

d.大板上側(cè)肋板

大板上側(cè)肋板布置在上主管周圍，主要作用是加強(qiáng)上主管和大板，防止上主管和大板局部屈曲。通過(guò)有限元分析，得到了大板上側(cè)肋板的等效應(yīng)力云圖如圖11所示。有限元分析表明，大板上側(cè)肋板一直處于彈性狀態(tài)，下主管正上方的肋板受力較大，肋板受力不均勻。

e. 大板下側(cè)肋板

圖11 大板上側(cè)肋板等效應(yīng)力云圖

大板下側(cè)肋板布置在下主管周圍，主要作用是加強(qiáng)下主管和大板，防止下主管和大板局部屈曲。通過(guò)有限元分析，得到了大板下側(cè)肋板的等效應(yīng)力云圖如圖12所示。有限元分析表明：在設(shè)計(jì)荷載下，大板下側(cè)肋板處于彈性狀態(tài)；在1.4倍設(shè)計(jì)荷載下，上主管正下方的弧形肋板局部區(qū)域進(jìn)入屈服狀態(tài)，其余肋板均處于彈性狀態(tài)；肋板受力不均勻。

圖12 大板下側(cè)肋板等效應(yīng)力云圖

4.3 節(jié)點(diǎn)極限承載力及破壞模式

a. 節(jié)點(diǎn)極限承載力確定方法

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中允許構(gòu)件截面出現(xiàn)一定程度的塑性發(fā)展深度，并通過(guò)一個(gè)塑性發(fā)展系數(shù)γ來(lái)簡(jiǎn)化處理［5］。5.21條給出了常用截面的塑性發(fā)展系數(shù)取值。對(duì)于圓管截面，γ取值為1.15，即圓管截面的塑性發(fā)展深度不宜超出0.15倍的截面高度。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)屈服面擴(kuò)大到截面圓周的1/4時(shí)，截面的塑性深度達(dá)到規(guī)范中規(guī)定的限值［7］。

b.節(jié)點(diǎn)極限承載力及破壞模式

根據(jù)有限元分析可知，在設(shè)計(jì)荷載下，變坡節(jié)點(diǎn)處于彈性狀態(tài)；在1.2倍設(shè)計(jì)荷載下，4號(hào)下主管屈服面達(dá)到了圓周的1/4，變坡節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力。變坡節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載和1.2倍設(shè)計(jì)荷載下的等效應(yīng)力云圖如圖13所示。

該變坡節(jié)點(diǎn)在軸向荷載作用下，極限承載力為1.2倍設(shè)計(jì)荷載，破壞模式為下主管受壓屈曲破壞。

圖13 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

a. 針對(duì)四管組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)，本文提出了一種新型的節(jié)點(diǎn)形式。有限元分析結(jié)果表明，只要參數(shù)取值合理，該變坡節(jié)點(diǎn)就安全可靠。

b. 在軸向荷載作用下，該變坡節(jié)點(diǎn)破壞模式是下主管屈曲破壞，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)區(qū)安全可靠。

c.該變坡節(jié)點(diǎn)大板上下側(cè)肋板受力不均勻，與主管搭接的肋板受力較大，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮。

d.本文只是針對(duì)一個(gè)四管組合柱鋼管塔變坡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，其他情況還需要繼續(xù)探討，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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Design and FEA on Slope Change Joint of Steel Tube Tower with Quad?tube Built?up Column

CAI Qin
（Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

A new type of slop change joint is put forward for the steel tube tower with quad-tube built-up column.In order to investi?gate the force transfer mechanism and bearing capacity，the model of this joint welded with connecting plate is established and the fi?nite element analysis is conducted with the software ANSYS.It is used to study the stress distribution，plastic development，joint fail?ure pattern and ultimate capacity under the influence of the design and ultimate load.The results show that this joint remains in the e?lastic condition under the design load，the ultimate failure form of joint is the bulking of the lower primary tube.This new joint is safe with reasonable design.

steel tube tower；quad?tube built?up column；slope change joint；FEA；bearing capacity

TM753

A

1004-7913（2017）03-0006-05

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（SHJJGC1500297）

蔡 欽（1991），男，碩士，從事跨越塔設(shè)計(jì)相關(guān)研究。

2016-12-19）